沙棘果实品质的主成分分析及综合评价

2023-11-20 22:42张东为赵鑫丹戈素芬阮成江张海旺
经济林研究 2023年2期
关键词:果实品质综合评价主成分分析

张东为 赵鑫丹 戈素芬 阮成江 张海旺

摘 要:【目的】为深入挖掘辽西地区沙棘种质资源,筛选出果实品质好的沙棘优良单株,为沙棘野外选种及果实加工利用提供依据。【方法】以辽西地区18 个优良沙棘单株为原材料,对其果实的百果质量、横径、纵径、可溶性糖含量、维生素E 含量等14 个主要性状及成分进行测定,并采用相关性分析及主成分分析方法对其果实品质进行综合评价。【结果】18 个优株的百果质量为11.38 ~ 26.99 g,横径长为6.21 ~ 8.35 mm,纵径长为5.46 ~7.91 mm,两径均值为5.84 ~ 7.85 mm,果柄长度为1.39 ~ 2.24 mm,果糖、葡萄糖和可溶性糖含量分别为4.07 ~21.27、1.04 ~ 13.70 和36.82 ~ 78.65 mg·g-1 FW,维生素E 含量为42.43 ~ 145.61 μg·g-1 FW,可溶性固形物含量为8.83% ~ 18.23% FW,总酚含量为5.07 ~ 10.74 mg·g-1 FW,可滴定酸含量为1.65% ~ 3.63% FW,类胡萝卜素含量为0.08 ~ 0.36 mg·g-1 FW,总黄酮含量为1.59 ~ 11.07 mg·g-1 FW。沙棘果实主要性状及成分有明显相关性,经主成分分析将14 个品质性状综合成4 个主成分因子,其累积贡献率可达81.514%,第1 主成分(果形因子)的特征值为4.919,方差贡献率为35.138%;第2 主成分(甜度因子)的特征值为2.755,方差贡献率为19.679%;第3 主成分(营养因子)的特征值为2.149,方差贡献率为15.349%;第4 主成分(活性因子)的特征值为1.589,方差贡献率为11.346%。【结论】经综合评价筛选出6 个综合得分高的沙棘优株,即JP17、JP15、JP18、JP16、JP14 和JP10,可通過深入研究作为辽西地区推广种植的中国沙棘优良品种。

关键词:沙棘;果实品质;主成分分析;综合评价

中图分类号:S793.6 文献标志码:A 文章编号:1003—8981(2023)02—0001—10

沙棘Hippophae rhamnoides L. 是胡颓子科沙棘属落叶灌木或小乔木[1]。沙棘属植物分为6 个种12 个亚种,分布于全球52 个国家。我国分布有6个种8 个亚种,是世界上天然沙棘种质资源最丰富的国家,也是人工种植沙棘面积最大的国家[2]。Luntraru 等[3] 研究发现沙棘果汁中含有多酚、黄酮、脂肪酸等成分,同时还含有Zn、Cu、Mn、Ca 和Fe 等矿物质。研究发现沙棘黄酮可通过调节Nrf2途径防止酒精诱导的肠道屏障功能障碍[4],并具有抗肿瘤活性[5]。张晓慧等[6] 研究发现沙棘果实多糖具有保肝和抗病毒的功能。葛亮等[7] 研究发现沙棘果实中的苹果酸和奎宁酸有很强的抗氧化活性,可有效清除DPPH 自由基及ABTS 阳离子自由基。胡高爽等[8] 报道沙棘中的维生素E 具有防治胃溃疡、延缓衰老、预防动脉硬化等作用。

随着生活水平的不断提高,人们对沙棘产品的加工利用需求日益增长[9],筛选优良品种对生产优质沙棘以及沙棘产业健康发展具有重要意义。范秀娟[10] 通过测定山西43 个沙棘品种的保存率及生长情况筛选出yy-01、yy-11 和yy-29 这3 个适合山西景尚林场选育的沙棘品种。陈汉鑫等[11]测定山西45 个沙棘单株的主要性状及成分,结果表明采集于交城的27 号单株表现最优,为沙棘资源的开发利用和良种培育提供了理论依据。唐克[12]通过测定不同品种沙棘叶片的茶多酚、咖啡因、蛋白质、总黄酮等成分含量,筛选出株系TF2-27更适合作为沙棘茶叶用品种,为我国沙棘茶产业发展提供了品种参考。胡建忠等[13] 对采自西藏、新疆、青海、甘肃等地野生的8 个品种沙棘的果肉、籽和全果的总黄酮含量进行测定,结合我国目前人工种植沙棘的情况,筛选出适合不同地区种植的沙棘品种,推动沙棘种植地区经济社会的高质量发展。张东为等[14] 和戈素芬等[15] 通过测定8个俄罗斯大果沙棘品种在辽西半干旱地区的植株保存率、生长状况、果实性状等指标,筛选出表现最好的两个引进的俄罗斯大果沙棘品种201301和201308,该研究结果为丰富辽西地区沙棘良种资源、提高沙棘建园质量和效益提供了重要参考。为深入挖掘辽西地区沙棘种质资源,本研究采集辽宁省建平县18 个中国沙棘的优良单株(以下简称优株),采用主成分分析方法,对其主要性状及成分进行测定分析,并依据多个主成分构成的综合指标评价沙棘果实品质,为深入开发利用沙棘资源和沙棘新品种选育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料均采自辽宁省建平县。供试沙棘编号、位置及果实特性见表1。

1.2 沙棘果实采集和测定

果实样品于2021 年10 月18—20 日采集,在野外选择具有结实性状优良、生长健壮、果实干净整洁无病虫害的中国沙棘优良单株,将果实连同枝条一并采集,并尽快带回实验室进行测定。对各优株随机选取300 粒健康果实,平均分成3 组,测定百果质量,从每个单株中随机抽取30 粒果实,测定果实纵径、横径、果柄长,使用精度为0.01 g的电子天平测量果实质量,使用精度为0.02 mm的电子游标卡尺测量果实的纵横径、果柄长。

采用蒽酮法测定样品可溶性总糖、葡萄糖、果糖含量[16];采用维生素E 试剂盒测定样品维生素E 含量;采用折射仪法测定样品可溶性固形物含量[17];采用福林酚比色法测定样品总酚含量[18];采用酸碱滴定法测定样品可滴定酸含量[19];采用乙醇浸提,比色法测定样品类胡萝卜素含量[20];采用硝酸铝-亚硝酸钠法测定样品总黄酮含量[21]。

1.3 数据处理

采用SPSS 25.0 软件进行相关性分析、差异显著性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同优株沙棘果实主要性状

18 个沙棘优株果实的主要性状见表2。由表2可知,不同优株沙棘的百果质量为11.38 ~ 26.99 g,其中8 个优株百果质量超过20 g,依次为JP15、JP04、JP17、JP08、JP14、JP16、JP07 和JP10;JP03 百果质量最小,仅为11.38 g。不同优株沙棘果实的横径长为6.21 ~ 8.35 mm, 其中JP15和JP17 的横径长超过8 mm;不同优株沙棘果实的纵径长为5.46 ~ 7.91 mm,其中JP10、JP15、JP01 和JP05 等4 个优株的纵径长超过7 mm;从两径均值来看,不同优株果实两径均值均未超过8 mm, 超过7 mm 的有11 株, 其中JP15 两径均值最大,达到7.85 mm。不同优株的果柄长度为1.39 ~ 2.24 mm,其中7 个优株果柄长超过2 mm, 分别为JP07、JP03、JP09、JP06、JP04、JP10 和JP05。18 个优株的果形指数为0.81 ~ 1.08,根据张建国等[22] 的划分标准,果形指数< 0.90 为扁圆形,果形指数在0.91 ~ 1.10 为圆形。由此可知,优株JP01、JP05、JP06、JP10、JP11 和JP18 沙棘果实为圆形,其余优株沙棘果实为扁圆形。

2.2 不同优株沙棘果实主要成分

不同优株沙棘果实主要成分如表3 所示。从表3 中可看出,不同优株果实主要成分含量差异显著(P < 0.05)。可溶性糖含量为36.82 ~78.65 mg·g-1 FW,其中JP02、JP03、JP11、JP09 这4 个单株可溶性糖含量超过70 mg·g-1 FW,分别为78.65、74.06、72.22、70.15 mg·g-1 FW。18 个优株沙棘果实果糖含量和葡萄糖含量分别为4.07 ~21.27、1.04 ~ 13.70 mg·g-1 FW,各优株果糖含量均高于其葡萄糖含量;果糖含量较高的5 个优株分别为JP16、JP07、JP18、JP11、JP10,葡萄糖含量较高的5 个优株分别为JP10、JP17、JP18、JP13、JP07,其中优株JP07、JP10 和JP18 的两种糖含量均较高。18 个优株沙棘果实维生素E 含量为42.43 ~ 145.61 μg·g-1 FW,含量较高的5 个优株为JP02、JP17、JP08、JP05、JP18,分别为145.61、121.46、116.90、110.00、88.91 μg·g-1 FW。18 个优株沙棘果实可溶性固形物和可滴定酸含量分别为8.83% ~ 18.23%、1.65% ~ 3.63% FW,可溶性固形物含量较高的5 个优株分别为JP16、JP18、JP11、JP13、JP07,其含量分别为18.23%、17.63%、17.27%、15.53%、15.33% FW;可滴定酸含量较高的5 个优株分别为JP18、JP17、JP15、JP13、JP14,其含量分别为3.63%、3.45%、3.42%、3.09%、3.04% FW。18 个优株沙棘果实总酚含量为5.07 ~ 10.74 mg·g-1 FW, 其中JP06、JP15、JP18、JP11、JP09 这5 个优株总酚含量较高,分别为10.74、10.48、10.18、10.11、9.12 mg·g-1 FW。18 个优株沙棘果实类胡萝卜素和总黄酮含量分别为0.08 ~ 0.36、1.59 ~ 11.07 mg·g-1 FW,類胡萝卜素含量较高的5 个优株分别为JP05、JP17、JP08、JP02、JP18,其含量分别为0.36、0.34、0.27、0.26、0.23 mg·g-1 FW;总黄酮含量较高的5 个优株分别为JP02、JP12、JP13、JP05、JP11,其含量分别为11.07、8.83、8.06、7.99、7.90 mg·g-1 FW。

2.3 不同优株沙棘果实品质相关性分析

采用Pearson 法对不同优株沙棘果实主要性状及成分进行相关性分析(表4)。由表4 可知,沙棘果实的百果质量与横径、纵径、两径均值呈现出极显著的正相关性(P< 0.01),与可溶性糖含量、总黄酮含量呈现出极显著的负相关性(P < 0.01);横径与纵径、两径均值呈现出极显著的正相关性(P < 0.01),与可溶性糖含量呈现出显著负相关性(P < 0.05),与总黄酮含量呈现出极显著的负相关性(P < 0.01);纵径与两径均值呈现出极显著的正相关性(P < 0.01),与可溶性糖含量呈现出显著负相关性(P < 0.05);两径均值与可溶性糖含量、总黄酮含量呈现出显著负相关性(P < 0.05);果柄长与可滴定酸含量呈现出极显著的负相关性(P < 0.01);果糖含量与可溶性糖含量、可溶性固形物含量呈现出极显著的正相关性(P < 0.01);可溶性糖含量与可溶性固形物含量呈现出显著的正相关性(P < 0.05);VE含量与类胡萝卜素含量呈现出极显著的正相关性(P < 0.01);总酚含量与可滴定酸含量呈现出极显著的正相关性(P < 0.01);可滴定酸含量与总黄酮含量呈现出显著的负相关性(P < 0.05)。不同优株沙棘果实各性状及成分之间有明显的相关性且相互影响。

从表4 可知,不同优株果实主要性状及成分之间有明显的相关性,若直接利用相关指标对沙棘果实进行评价,会出现大量信息重叠,而主成分分析能够将相关性较强的多种变量进行降维分析,用少量的因素诠释多种指标间的关系。故采用主成分分析法对沙棘果实进行综合评价。

2.4 不同优株果实品质主成分分析

根据方差初始特征值> 1 的原则提取主成分,对不同优株果实14 个主要性状及成分指标进行主成分分析(表5)。表5 结果表明,前4 个主成分特征值> 1,累计方差贡献率为81.514%,说明这4 个因子可以代替原始的14 个指标,能够较全面地反映沙棘果实的品质。第1 主成分的特征值为4.919,方差贡献率为35.138%,其中百果质量、两径均值、横径及纵径的因子载荷量最大(表6),这些指标均与果形有关,因此,称其为果形因子;第2 主成分的特征值为2.755,决定第2 主成分大小的主要是可溶性固形物含量、果糖含量、可溶性糖含量和葡萄糖含量,其载荷值分别为0.942、0.925、0.562 和0.544,贡献率为19.679%,糖含量与果实甜度有关,因此称为甜度因子;第3 主成分的特征值为2.149,方差贡献率为15.349%,其中维生素E 含量和类胡萝卜素含量因子载荷量最大,维生素E 是果实重要的营养成分之一,故称为营养因子;第4 主成分的特征值为1.589,方差贡献率为11.346%,其中总酚含量因子载荷量最大,而抗氧化活性与总酚含量存在极显著相关性[23],因此第4 主成分称为活性因子。

2.5 不同优株果实品质的综合评价

根据主成分分析法,计算4 个主成分与原14项果实品质指标的标准化数据的线性组合,即各主成分的表达式为:

Y1=0.42Z1+0.41Z2+0.34Z3+0.42Z4-0.26Z5-0.05Z6+0.06Z7-0.30Z8+0.03Z9+0.03Z10+0.07Z11+0.29Z12+0.07Z13-0.32Z14;

Y2=-0.06Z1-0.02Z2-0.05Z3-0.04Z4-0.13Z5+0.56Z6+0.33Z7+0.34Z8-0.11Z9+0.57Z10+0.18Z11+0.21Z12-0.04Z13-0.17Z14;

Y3=-0.12Z1+0-0.23Z3-0.13Z4-0.30Z5-0.15Z6+0.07Z7+0.06Z8+0.60Z9-0.03Z10+0.20Z11+0.27Z12+0.56Z13+0.12Z14;

Y4=0.07Z1+0.11Z2+0.23Z3+0.19Z4+0.23Z5+0.14Z6+0.44Z7+0.20Z8+0.20Z9-0.03Z10-0.57Z11-0.31Z12+0.34Z13+0.10Z14。

单一主成分难以对沙棘果实品质做出全面地评价,因此,以主成分贡献率为权,根据4 个主成分的贡献率和主成分得分,建立果实品质综合评价数学模型,即:F=0.35138Y1+0.19679Y2+0.15349Y3+0.11346Y4根据4 个主成分的线性组合以及综合得分公式,求得18 个不同优株果实的主成分得分和综合得分,如表7 所示。从表7 中可以看出各个指标在不同优株中所处的位置与比重,从而较直观地判断某一优株的优劣。

由表7 可知,18 个不同优株果实中,果形因子得分最高的6 个优株分别为JP15、JP17、JP14、JP16、JP18、JP08; 甜度因子得分最高的6 个优株分别为JP18、JP16、JP11、JP10、JP13、JP17;营养因子得分最高的6 个优株分别为JP02、JP17、JP05、JP08、JP18、JP13;活性因子得分最高的6 个优株分别为JP10、JP07、JP06、JP05、JP17、JP02。因此,可依据不同的应用目标对沙棘优株进行定向选育,有针对性地开发利用。从综合品质来看,综合主成分分值越高,综合品质表现越好,综合得分排名前6 的优株依次为:JP17、JP15、JP18、JP16、JP14、JP10。

3 讨 论

通过对采自野外的18 个供试不同中国沙棘优良单株的果实14 个主要性状及成分的测定结果可以看出,不同优株果实品质存在较大差异,各品质指标间具有明显的相关性且相互影响。其中,沙棘果实的百果质量与横径、纵径、两径均值呈现出极显著的正相关性(P < 0.01),与可溶性糖含量、总黄酮含量呈现出极显著的负相关性(P < 0.01),說明沙棘果实越大,可溶性糖含量及黄酮含量反而越低,这与安雄韬[24]、邓世荣等[25]的研究结果一致。安雄韬对山西5 个品种大果沙棘及中国沙棘果实品质进行研究,结果发现无刺丰和杂交3 号的百果质量最大,而黄酮含量偏低,中国沙棘的百果质量最小,而黄酮含量最高;邓世荣对新疆大果沙棘果实品质进行研究,结果发现百果质量最大的品种为深秋红,其糖含量最低,而新棘2 号糖含量最高,其百果质量最小。

通过主成分分析,将18 个优株的果实的14个品质性状指标转化为4 个主成分,代表主要沙棘品质的81.514% 的信息量。4 个主成分包含了果实果形因子、甜度因子、营养因子、活性因子等沙棘果实品质的多个方面,能比较客观地反映沙棘果实的品质。本研究分别筛选出不同因子得分最高的优株及综合得分最高的优株,可根据不同需求对沙棘优株有针对地进行培育。18 个优株中,JP02、JP17、JP05 和JP08 为红果沙棘,JP12 为橙红果沙棘,其余13 个优株均为黄果沙棘,本研究发现这4 个红果沙棘在第三主成分(营养因子)的排名依次为第1、第2、第3 和第4,橙红果沙棘在第三主成分排名为第7,研究结果表明红果沙棘的营养价值更高,这为沙棘品种选育及果实加工利用方面提供了重要参考价值。运用主成分分析筛选优株能够简化程序,避免性状相关性的影响以及出现大量信息重叠。何小三等[26] 运用主成分分析法选育果用木通优良家系,评价结果初步确定3 个优良家系,分别为8 号(江西省崇义县茶滩乡黄鳅洞)、6 号(江西省上犹县陡水乡红星村)和9 号(江西省永修县燕山乡长坑村);郭学斌[27]运用主成分分析法评价山西省中国沙棘天然种群优树的综合性状,结果发现隰县种群优树的综合性状表现最好;张晓敏[28] 运用主成分分析法对园林绿化植物沙棘的耐盐品种进行筛选,结果发现杂优雄1 号耐盐性最好。说明主成分分析法在一定程度上为不同品种沙棘的品质鉴定、合理利用及品种选择提供了重要的理论依据。

本研究仅对建平县部分地区的中国沙棘优株的果实的主要性状和成分进行了测定分析,测定指标有限,后续的相关研究应补充测定果实的结实密度、维生素C 含量、氨基酸含量等更多指标,以期能更全面的反映沙棘不同品种的综合特性,并对沙棘果实中所含多酚、黄酮类等物质的单一组分进行定性定量分析,为沙棘资源的深度开发利用提供更多参考。

4 结 论

本研究采用主成分分析法综合评价了辽西地区建平县沙棘果实的品质,结果表明18 个供试不同优株中JP17、JP15、JP18、JP16、JP14、JP10是果实品质较为优良的品种,可通过后续的区域试验、综合评价等,筛选出适宜在辽西地区种植的中国沙棘优良品种,并在生产中推广应用。

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[ 本文编校:李义华]

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